電聲諧振器的製作方法
2023-10-10 15:19:59 2
專利名稱：電聲諧振器的製作方法
技術領域：
本發明涉及到電聲波諧振器。諧振器是濾波器的基本構件。
尤其由於例如2G和3G手機的無線應用中的射頻(RF)前端選擇性，對薄膜體聲波(BAW)諧振器濾波器的興趣正在日益增長，。這一技術提供了集成和小型化的最佳可能性。電聲波諧振器的一個重要參數是其耦合因子kr，由kr2＝[1-(fr/fa)2]確定。在此方程中，fr和fa是諧振器的諧振和反諧振，亦即，最小和最大阻抗的頻率。可得到的最大濾波器帶寬與kr2成比例。
BAW諧振器主要由包含二個鄰接於壓電層的電極層的層序列組成。對於RF應用，此壓電層通常由諸如氮化鋁(AlN)之類的材料澱積層組成。為了縮短澱積時間，希望諧振器的壓電層合理地薄。薄膜壓電材料的缺點是其耦合係數kt相當低。由於諧振器的耦合因子kr與耦合係數kt成比例，故必須優化電聲諧振器的設計，以便補償薄膜壓電材料的相當低的耦合係數kt。例如，對於3G UMTS接收(RX)波段和發射(TX)波段，要求高的耦合因子kr。
WO 02/23720 Al公開了一種諧振器，它包含第一電極、第二電極、以及排列在上述二者之間的壓電層。聲阻抗大於第一電極的第一聲壓縮層，被排列在壓電層與第一電極之間。為了保證電極的電阻足夠低，此文獻表明電極至少要200nm厚。該文獻中電極優選由厚度為300-60Onm的鋁(Al)組成。這種電極導致低的電阻，且對藉助於設置聲壓縮層而得到的耦合係數僅僅起很小的有害作用。
美國專利6051907公開了一種用於調諧位於晶片上的薄膜體聲波諧振器(FBAR)的方法。若中心頻率不同於目標數值，則此方法被用來進行微調，並藉助於腐蝕頂部電極而完成。根據US 6051907，在切割晶片之前，製作在晶片上的薄膜體聲波諧振器的結構被改變。此方法使FBAR呈現分別在設計串聯或並聯諧振頻率的可接受誤差範圍內的串聯或並聯諧振頻率。在US 6051907的一個實施例中，頂部和底部電極都包含厚度為300nm的鉬(Mo)。由於此文獻中的微調方法基於FBAR頂部電極的減薄，這導致FBAR串聯電阻增大，故提議將(鉬的)頂部電極設計成厚度為400nm並具有壓電材料(此時為氧化鋅(ZnO))的相應較薄層。
本發明的目的是提供一種具有增大的濾波器帶寬的電聲波諧振器。
利用具有包含壓電層以及頂部和底部電極層的層結構的電聲諧振器，達到了此目的，其中二個電極層的厚度不相等，且頂部電極層比底部電極層更薄。在此結構中，得到了最大諧振器耦合因子。由於在壓電層內部，外加電場(沿垂直於層的方向大致恆定)與直接與聲波耦合的電場(在薄電極之間的中間平面附近大致為餘弦，但對於最佳電極厚度更接近恆定)的空間分布之間的匹配得到了改進，故出現了這一提高。
電聲諧振器可以是牢固安裝的薄膜諧振器(SBAR)或可以具有膜片結構，也稱為薄膜體聲波諧振器(FBAR)。FBAR的層序列通常為腐蝕停止層/底部電極層/壓電層/頂部電極層。由於在諧振器上方和下方的自由空間界面處具有全反射器，故能量被限制住。SBAR的層序列通常為襯底/布拉格反射器/底部電極層/壓電層/頂部電極層。布拉格反射器包含交替的高和低機械阻抗層，並在諧振器下方提供所需的反射。在典型濾波器的設計中，頂部電極上方的質量負載層被包括在諧振器的附屬裝置中。質量負載的諧振器比非質量負載的諧振器具有稍許更低的fr和fa。在所有情況下，諧振頻率都大致反比於壓電層的厚度。對於通常的RF應用，所有層的厚度都約為100nm-2000nm的量級。襯底的厚度通常為0.1mm-2mm的量級。
電聲諧振器的至少一個電極層可以由二種(或多種)導電材料的疊層組成。此處將這種結構稱為「多層(sandwich)」結構。由於這些導電材料會影響電損耗和帶寬，故必須小心地選擇這些導電材料。
在該電聲諧振器的一個實施方案中，導電的薄擴散阻擋層(barrier)被形成在電極層之間。
在另一實施方案中，疊層內與壓電層接觸的導電材料具有比不與壓電層接觸的導電材料更高的聲阻抗。
在另一實施方案中，疊層內與壓電層接觸的導電材料具有比不與壓電層接觸的外部導電材料更低的聲阻抗。外部導電材料優選是諸如金(Au)或鉑(Pt)之類的保護諧振器表面的貴金屬。
聲阻抗較低的導電材料優選包含鋁(Al)。
聲阻抗較高的導電材料包含例如鉑(Pt)、鎢(W)、鉬(Mo)、鈦鎢(TixW1-x，0＜x＜1)、或金(Au)。
電極層之間和/或電極之間的擴散阻擋層可以由氮化鈦(TiN)或鈦(Ti)組成，或可以由氮化鈦(TiN)和鈦(Ti)的組合組成。
例如，本發明的電聲諧振器能夠被用於中心頻率為1.95GHz的濾波器。這是對應於UMTS 3G標準的發射(TX)帶的中心頻率。對於這種應用，要求的帶寬非常接近用氮化鋁作為壓電層可得到的最大值。
用於中心頻率大約為2GHz的濾波器的一個優選實施方案，是一種電聲諧振器，其電極層包含鉬，對於大約2GHz的諧振頻率，頂部層的厚度大約為200nm，且底部層的厚度大約在300nm，這些厚度大致反比於諧振頻率。
另一優選實施方案是一種電聲諧振器，其電極層包含鉑，對於大約2GHz的諧振頻率，頂部層的厚度大約為50nm，且底部層的厚度大約為150nm，這些厚度大致反比於諧振頻率。
本發明的電聲諧振器可以被用作射頻(RF)濾波器的組件，或用作傳感器、超聲換能器、超聲換能器陣列中所用的組件。
參照下列實施方案，本發明的這些和其它的情況將變得明顯，其中
圖1示出了FBAR中的層序列，圖2示出了SBAR中的層序列，圖3示出了多層SBAR中的層序，圖4示出了非質量負載SBAR的耦合因子對頂部和底部電極厚度的表格，圖5示出了質量負載的SBAR的耦合因子對頂部和底部電極厚度的表格，圖6示出了非質量負載的多層SBAR的耦合因子對頂部和底部電極厚度的表格，圖7示出了質量負載的多層SBAR的耦合因子對頂部和底部電極厚度的表格。
圖1示出了FBAR 1中的層序列，從底部到頂部包括襯底2、腐蝕停止層3、底部電極層4、壓電層5、頂部電極層6、以及質量負載層7。FBAR 1示出了厚度不相等的電極層4和6，頂部電極6的厚度為T1，而底部電極4的厚度為T2。根據本發明，T1小於T2。這一不對稱的安排使諧振器能夠達到最大的耦合因子，從而提供最大的濾波器帶寬。
圖2示出了SBAR 8中的層序列，從底部到頂部包括襯底9、像交替包含高機械阻抗層11和低機械阻抗層12的布拉格反射器那樣的聲學鏡10、底部電極層13、壓電層14、頂部電極層15、以及質量負載層16。SBAR 8示出了厚度不相等的電極層13和15，頂部電極15的厚度為T3，而底部電極13的厚度為T4。根據本發明，厚度T3小於厚度T4。
圖3示出了多層SBAR 17中的層序列，從底部到頂部包括襯底18、像交替包含高機械阻抗層20和低機械阻抗層21的布拉格反射器那樣的聲學鏡19、底部外電極層22、底部內電極層23、壓電層24、頂部內電極層25、頂部外電極層26、以及質量負載層27。多層SBAR 17示出了厚度相等的外電極層22和26以及厚度不相等的內電極層23和25，內頂部電極25的厚度為T5，而內底部電極23的厚度為T6。在電極22與23之間和/或電極25與26之間，可以有包括例如TiN層或Ti層與TiN層的組合的擴散阻擋層。此擴散阻擋層是為了分別避免二種電極材料22和23或25和26的相互擴散。薄的擴散阻擋層的厚度在10-30nm之間，不會明顯地改變諧振器的性能。
在通常的濾波器中，質量負載層(圖1中的7，圖2中的16，圖3中的27)被包括在諧振器的附屬裝置中。其餘的諧振器是非質量負載的。
利用UMTS 3G的TX波段的1.95GHz濾波器例子，說明了本發明。對於這種應用，要求的帶寬非常接近用氮化鋁(AlN)可得到的最大值。原則上，質量負載的和非質量負載的諧振器要求不同的最佳層組合。此最佳組合可應用於濾波器的階梯和網格實施方式二者。
圖4示出了圖2所示濾波器的非質量負載SBAR 8的耦合因子kr對頂部電極15的厚度T3以及對底部電極13的厚度T4的表格。電極金屬是鉬(Mo)，其聲阻抗約為氮化鋁的2倍，並在其上能夠生長質量非常高的氮化鋁層。五氧化二鉭(Ta2O5)和二氧化矽(SiO2)被用作布拉格反射器的高和低阻抗層。根據此表格，對於頂部電極15，鉬的最佳厚度大約為T3＝200nm，而對於底部電極13，鉬的最佳厚度大約為T4＝300nm。對於這一組合，相應的氮化鋁厚度為1410nm，且相應的kr最大值為0.226。
圖5示出了濾波器的質量負載SBAR 8的耦合因子kr對頂部電極15的厚度T3以及對底部電極13的厚度T4的表格。可以看出，對於頂部電極15，鉬的最佳厚度也約為T3＝200nm，而對於底部電極13，約為T4＝300nm，導致0.222的kr最大值。質量負載層的厚度為150nm。其它層的厚度與圖4所述非質量負載SBAR的相同。
當鎢(W)被用來代替鉬時，由於鎢的機械阻抗比鉬的大約高70％，故採用所述最佳不相等厚度T3和T4的耦合因子kr的提高應該更大。
現在來描述對於相同中心頻率，使用多層SBAR的濾波器實施方式。
圖6示出了濾波器的非質量負載多層SBAR 17的耦合因子kr對頂部電極25的厚度T5以及對底部電極23的厚度T6的表格。外電極層22和26是鋁製的，而鄰接壓電(AlN)層24的內電極層23和25由鉑(Pt)製成。為了達到充分低的電阻，建議鋁層22和26具有相同的厚度，此處被設定為200nm。頂部電極層25和底部電極層23是變量。利用分別約為T5＝50nm的頂部電極25和約為T6＝150nm的底部電極23，得到了最佳的耦合因子kr。在電極22與23之間和/或電極25與26之間，可以有包括例如TiN層或Ti層與TiN層的組合的擴散阻擋層。此擴散阻擋層是為了分別避免二種電極材料22和23或25和26的相互擴散。薄的擴散阻擋層的厚度在10-30nm之間，不會明顯地改變諧振器的性能。
圖7示出了濾波器的質量負載SBAR 17的耦合因子kr對頂部電極25的厚度T5以及對底部電極23的厚度T6的表格。利用分別約為T5＝50nm的頂部電極25和約為T6＝150nm的底部電極23，再次得到了最佳的耦合因子kr。其它層的厚度與圖6所述非質量負載多層SBAR的相同。
在質量負載和非質量負載多層SBAR中，內Pt電極的最佳厚度都幾乎與Al外電極22和26的厚度無關。對於100nm、200nm、以及300nm的最佳Pt層厚度和Al層厚度，耦合因子kr分別等於0.220、0.216、以及0.202。
本發明可以概述為膜片型或FBAR型(1)或牢固安裝或SBAR型(8)的薄膜體聲波諧振器(1，8，17)，具有單層電極(1，8)或具有最佳耦合因子kr的多層電極多層構造(17)，因此組合了這種諧振器的濾波器中帶寬增加。利用頂部電極(6，15，25)比底部電極(4，13，23)更薄的安排，得到了最佳的耦合因子kr。此耦合因子與諧振器的布局無關。
權利要求
1.一種具有層結構的電聲諧振器(1，8，17)，該層結構包含壓電層(5，14，24)以及頂部電極層(6，15，25)和底部電極層(4，13，23)，二種電極層的厚度(T1，T2，…，T6)不相等，其特徵在於，頂部電極層(T1，T3，T5)比底部電極層(T2，T4，T6)更薄。
2.權利要求1所述的電聲諧振器(1，8，17)，其特徵在於電聲諧振器(1，8，17)是牢固安裝的諧振器或SBAR(8，17)，或在於其具有膜片結構FBAR(1)。
3.前述權利要求之一所述的電聲諧振器(1，8，17)，其特徵在於，電極層(25，26或22，23)中的至少一個由導電材料的疊層形成。
4.前述權利要求之一所述的電聲諧振器(1，8，17)，其特徵在於，在電極層22與23和/或25與26之間，形成了導電的薄擴散阻擋層。
5.權利要求3所述的電聲諧振器(1，8，17)，其特徵在於，在該疊層中，與壓電層(24)接觸的導電材料(23，25)的聲阻抗比不與壓電層(24)接觸的導電材料(22，26)的聲阻抗更高。
6.權利要求3所述的電聲諧振器(1，8，17)，其特徵在於，在該疊層中，與壓電層(24)接觸的導電材料(23，25)的聲阻抗比不與壓電層(24)接觸的導電材料(22，26)的聲阻抗更低。
7.權利要求5或6所述的電聲諧振器(1，8，17)，其特徵在於，聲阻抗較低的導電材料包括鋁(Al)。
8.權利要求5或6所述的電聲諧振器(1，8，17)，其特徵在於，聲阻抗較高的導電材料包括鉑(Pt)、鎢(W)、鉬(Mo)、鈦鎢(TiXW1-X，0＜x＜1)、金(Au)。
9.權利要求5或6所述的電聲諧振器(1，8，17)，其特徵在於，電極層22與23之間和/或電極25與26之間的擴散阻擋層由氮化鈦(TiN)或鈦(Ti)，或包括氮化鈦(TiN)和鈦(Ti)的組合組成。
10.前述權利要求之一所述的電聲諧振器(1，8，17)，其特徵在於，電極層(4，6，13，15，23，25)包括鉬(Mo)，且在於對於大約2GHz的諧振頻率，頂部鉬層(6，15，25)的厚度(T1，T3，T5)大約為200nm，而底部鉬層(4，13，23)的厚度(T2，T4，T6)大約為300nm，這些厚度大致反比於諧振頻率。
11.前述權利要求之一所述的電聲諧振器(1，8，17)，其特徵在於，電極層(4，6，13，15，23，25)包括鉑(Pt)，且在於對於大約2GHz的諧振頻率，頂部鉑層(6，15，25)的厚度(T1，T3，T5)大約為50nm，而底部鉑層(4，13，23)的厚度(T2，T4，T6)大約為150nm，這些厚度大致反比於諧振頻率。
12.電聲諧振器(1，8，17)，特別是權利要求1所述的電聲諧振器的用途是作為射頻(RF)濾波器的組件或作為用於傳感器或用於超聲換能器或用於超聲換能器陣列中的組件。
全文摘要
一種膜片或FBAR型(1)或牢固安裝即SBAR型(8)的電聲諧振器(1，8，17)，其電極包含單個導電層或多個導電層亦即多層構造(17)，具有最佳的耦合因子k
文檔編號H03H9/13GK1723618SQ200380105633
公開日2006年1月18日 申請日期2003年12月4日 優先權日2002年12月13日
發明者R·F·米爾森, H·-P·雷布 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司